植酸酶在飼料中的研究應(yīng)用

宮 宇 姚玲瓏 閆昭明 趙 蕾

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410128）

磷是動(dòng)物生長(zhǎng)發(fā)育必需的營(yíng)養(yǎng)元素之一，對(duì)動(dòng)物生長(zhǎng)發(fā)育有重要的作用。植物種子中的磷主要以植酸形式貯存，玉米、豆粕、菜粕所含的磷約40%-70%主要以植酸磷形式存在。由于單胃動(dòng)物消化道內(nèi)缺乏能分解消化植酸磷的酶，所以飼料中絕大部分磷從動(dòng)物糞便中排出，進(jìn)入水體，造成水體富營(yíng)養(yǎng)化。因植酸酶可以改善動(dòng)物機(jī)體對(duì)日糧中磷和其他營(yíng)養(yǎng)成分的利用率，成為了人們關(guān)注的焦點(diǎn)。然而，由于不同研究間在日糧結(jié)構(gòu)、測(cè)定指標(biāo)上存在差異，導(dǎo)致植酸酶的最佳添加量與所能替代的無(wú)機(jī)磷量不完全一致，因此植酸酶在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，首先需要確定日糧中植酸酶與所能替代無(wú)機(jī)磷之間的數(shù)量關(guān)系，即植酸酶的磷當(dāng)量。

現(xiàn)在低蛋白日糧配制技術(shù)發(fā)展迅速，在合理添加氨基酸和酶制劑的前提下，配合飼料中粗蛋白和磷水平可以顯著降低。為推動(dòng)飼料行業(yè)科技進(jìn)步，減少飼料原料消耗，降低養(yǎng)殖業(yè)對(duì)環(huán)境造成的污染，中國(guó)飼料工業(yè)協(xié)會(huì)對(duì)豬、禽飼料中的總磷設(shè)定了總體標(biāo)準(zhǔn)，即總磷在常規(guī)條件下只設(shè)定下限值的基礎(chǔ)上增設(shè)了上限值?？偠灾?，為了滿足動(dòng)物在種種約束下對(duì)磷的需要，最好的方法是在動(dòng)物日糧中添加植酸酶。

1 植酸與植酸酶

植酸又稱六磷酸肌醇，能夠結(jié)合礦物質(zhì)（磷、鎂、鐵等）和蛋白質(zhì)，同時(shí)形成的螯合物能夠降低動(dòng)物對(duì)磷的吸收效果。在植物飼料中，植酸通常與磷結(jié)合，所以又被稱作植酸磷，常用飼料原料中的植酸磷含量一般不同。植酸酶可以催化植酸及其鹽類，能夠分解植酸分子中的磷，將植酸或其鹽類降解為能被畜禽利用的肌醇和無(wú)機(jī)磷。國(guó)際上通常把植酸酶分為兩類：3-植酸酶和6-植酸酶，它們分別能夠水解植酸分子上第3位和第6位磷酸基團(tuán)。其中3-植酸酶由于性質(zhì)更穩(wěn)定，可耐酸和耐高溫，在動(dòng)物飼料中被廣泛使用。

2 植酸酶來(lái)源

植酸酶廣泛分布于各種生命形式，最早由Suzuki等于1907年在米糠中發(fā)現(xiàn)，后來(lái)又相繼在多種微生物和動(dòng)物組織中檢測(cè)到植酸酶的存在。植酸酶的來(lái)源不同，其在動(dòng)物生產(chǎn)中的作用效果也不一樣。由于微生物源植酸酶最適pH值的作用范圍與動(dòng)物消化道環(huán)境更匹配，其在動(dòng)物飼料中的應(yīng)用也最為廣泛。高溫制粒和高溫消毒是現(xiàn)代飼料工業(yè)中常用的加工工藝，飼料用酶必須在常溫下具有較高的酶活性，因?yàn)轱暳嫌妹缸罱K的作用場(chǎng)所在動(dòng)物的腸道中，一般在37℃左右。因此，篩選具有熱穩(wěn)定性的植酸酶是目前的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

2.1 植物源植酸酶

植酸酶廣泛存在于植物界中，已分離出具有植酸酶活性的植物有黑小麥、玉米、大麥、稻、小麥、綠豆、豌豆及麩皮等，同時(shí)在馬鈴薯、萵苣、菠菜以及百合花粉中檢測(cè)到植酸酶活性。不同種類植物來(lái)源的植酸酶，其活性也有差異，其中以谷物活性最高，而燕麥、玉米、高梁等高蛋白飼料作物中的植酸酶活性幾乎可以忽略。由于植物來(lái)源的植酸酶含量和活性都極低，而其最佳pH為4.0～6.0，最適溫度為45～60℃，當(dāng)其處在制粒高溫或畜禽胃部的強(qiáng)酸環(huán)境時(shí)會(huì)完全失活。因此，植物來(lái)源的植酸酶不適合在動(dòng)物飼料中使用。

2.2 動(dòng)物源植酸酶

動(dòng)物來(lái)源的植酸酶研究較少，主要存在于哺乳動(dòng)物小腸及脊椎動(dòng)物紅細(xì)胞中，含量很少且活性很低。豬腸黏膜內(nèi)源性植酸酶的活性極低，使得未經(jīng)消化利用的磷隨排泄物進(jìn)入土壤，對(duì)環(huán)境造成污染。小腸黏膜水解酶的活性趨勢(shì)大致為：隨磷酸基的增多，肌醇-3磷酸和肌醇-6磷酸逐漸減少。因此，在小腸進(jìn)一步水解過(guò)程中也將產(chǎn)生更少的肌醇磷酸鹽。反芻動(dòng)物瘤胃微生物可以產(chǎn)生植酸酶分解植酸，其他動(dòng)物胃內(nèi)則無(wú)植酸酶不能水解利用植酸。

2.3 微生物源植酸酶

植酸酶在微生物中分布廣泛。細(xì)菌、酵母菌和霉菌都可產(chǎn)生植酸酶，特別是霉菌中的曲霉屬是微生物植酸酶主要產(chǎn)生菌。其中最活躍的產(chǎn)酶菌株是黑曲霉，而無(wú)花果曲霉的產(chǎn)酶效率最高。另外，絲狀真菌所產(chǎn)植酸酶是胞外酶，容易分高提純。由于天然菌種的植酸酶產(chǎn)量較低，直接用其生產(chǎn)出的植酸酶成本較高，從而影響了植酸酶的推廣應(yīng)用。隨著現(xiàn)代分子生物學(xué)的飛速發(fā)展，采用基因工程技術(shù)構(gòu)建植酸酶基因工程菌，進(jìn)行大規(guī)模的發(fā)酵生產(chǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，大腸桿菌表達(dá)系統(tǒng)遺傳背景清楚、繁殖快、成本低、表達(dá)量高、穩(wěn)定性好、適用范圍廣，因此在分子生物學(xué)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展中研究最早、發(fā)展最快、應(yīng)用最廣泛。Nickolay等從變形桿菌基因組中擴(kuò)增出植酸酶phy4基因片段，在大腸桿菌中表達(dá)，純化后的植酸酶活性為310FTU/mg，pH作用范圍1.5-6.5，最適pH為4.9，最適反應(yīng)溫度為40～45℃。目前已基本實(shí)現(xiàn)利用工程菌發(fā)酵大規(guī)模生產(chǎn)廉價(jià)植酸酶，但是植酸酶熱穩(wěn)定性這一關(guān)鍵問(wèn)題仍未解決。因此，當(dāng)前微生物發(fā)酵生產(chǎn)植酸酶最需要解決的問(wèn)題是尋找和開(kāi)發(fā)既能在37℃環(huán)境發(fā)揮最大活性又能耐高溫的植酸酶。

3 植酸酶的作用原理

植酸酶活力單位定義為，在溫度37℃、pH5.5條件下，每分鐘從濃度為5.0mml/L植酸鈉溶液中釋放1umol無(wú)機(jī)磷，即為一個(gè)植酸酶活性單位 （以FTU表示），酶活單位越高，其作用效果也就越好。植酸酶將植酸分子上的磷酸基團(tuán)逐個(gè)切割使植酸分解，形成中間產(chǎn)物五磷酸肌醇 （IP5）、四磷酸肌醇 （IP4）、三磷酸肌醇（IP3）、二磷酸肌醇 （IP2）、單磷酸肌醇 （IP）和磷酸 （P），最常見(jiàn)的降解產(chǎn)物是IP3或IP，完全分解1克植酸產(chǎn)生286.1毫克的無(wú)機(jī)磷。雖然植酸酶切割植酸的起始位點(diǎn)不同，但最終產(chǎn)物都是肌醇和磷酸（如后圖）。

植酸鹽水解示意圖

4 植酸酶在飼料中的應(yīng)用研究

4.1 植酸酶在畜禽飼料中的應(yīng)用研究

植酸酶作為飼料添加劑能夠降低無(wú)機(jī)磷源添加量，在畜禽飼料中應(yīng)用比較廣泛。植酸酶主要作用于含磷的植酸鹽，釋放被螯合的蛋白質(zhì)、淀粉、鈣、磷及一些消化酶，進(jìn)而提高養(yǎng)分的消化率和生物學(xué)效價(jià)。Madrid等研究發(fā)現(xiàn)添加植酸酶可提高育肥豬P、Ca、Mg、Cu消化率，使P、Cu在環(huán)境的排泄率分別降低39%和33%；植酸酶的添加還逆轉(zhuǎn)了育肥豬平均飼料攝入量和總磷降低所導(dǎo)致的生長(zhǎng)性能下降的現(xiàn)象，增加了P、Ca、Mg、Cu在畜禽機(jī)體的滯留量，促進(jìn)了骨骼發(fā)育。Samson等研究發(fā)現(xiàn)低鈣磷飼糧中添加植酸酶可以提高豬的生長(zhǎng)性能，鈣磷的表觀總消化率顯著增加。畜禽機(jī)體鈣磷代謝通過(guò)骨鈣、骨磷沉積與釋放，其動(dòng)態(tài)平衡通過(guò)腎和腸道的吸收與排泄等過(guò)程維持，究其原因可能是低鈣磷飼糧引起血清鈣磷含量顯著降低，血清低鈣磷引起甲狀旁腺素分泌增加，刺激腎臟羥基化維生素D3，即1，25-(OH)2-D3。而具有生物活性的1，25-(OH)2-D3能促進(jìn)動(dòng)物腸壁、腎小管增加對(duì)鈣磷的吸收，從而提高動(dòng)物對(duì)鈣磷的吸收率。

在肉雞日糧鈣、磷比例適宜的情況下，植酸酶將會(huì)發(fā)揮更好的作用。鋅是禽類健康生長(zhǎng)的重要微量礦物質(zhì)元素，在禽類日糧中添加植酸酶可有效提高有機(jī)鋅和無(wú)機(jī)鋅的生物利用率，可補(bǔ)償?shù)蜖I(yíng)養(yǎng)飼料所造成的微量元素不足。鄭惠文等研究表明低鋅日糧添加植酸酶，可以改善家禽的生長(zhǎng)性能、免疫性能，有效提高鋅利用率，同時(shí)獲得最佳平均日增重與料重比。另一方面，蛋雞日糧中缺乏鐵元素影響蛋重，植酸酶可以使鐵從植酸中釋放出來(lái)，從而提高蛋雞骨髓、肝臟、脾臟、蛋黃、血清中的鐵濃度，緩解因鐵供給不足而造成的蛋品質(zhì)下降。以上研究顯示植酸酶能將植酸與帶正電的礦物元素形成的復(fù)合物水解，滿足畜禽對(duì)礦物元素的需要，進(jìn)而提高了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收。

植酸酶作為常規(guī)飼料添加劑已經(jīng)普遍應(yīng)用于畜禽飼糧中，但是隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)低添加量植酸酶還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到其應(yīng)有的功效，超量添加植酸酶可以分解超過(guò)90%的植酸，還可以提高蛋白質(zhì)、脂肪、淀粉及礦物質(zhì)元素的利用率。陳冠華等通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，非植酸磷含量為0.15%時(shí)，植酸酶適宜添加量為10000 FTU/kg（超量添加），超量添加使肉雞體增重、采食量、血漿無(wú)機(jī)磷濃度、股骨重量、鈣磷沉積率顯著提高。Zeng等研究發(fā)現(xiàn)在生長(zhǎng)豬低磷 (總磷含量為0.38g/kg)飼糧中添加20000 FTU/kg的植酸酶，植酸的表觀消化率從11.1%提高到90.5%。與常規(guī)添加量相比，20000 FTU/kg的添加量顯著提高了畜禽機(jī)體鈣、磷和植酸的表觀消化率，使回腸中植酸含量也顯著降低。由此可見(jiàn)超劑量添加植酸酶可以促進(jìn)飼糧植酸磷充分水解，從而滿足低磷飼糧條件下動(dòng)物對(duì)磷的需求，同時(shí)由于植酸幾乎被全部降解，產(chǎn)生的肌醇不僅沒(méi)有抗?fàn)I養(yǎng)作用，反而會(huì)促進(jìn)畜禽能量代謝和機(jī)體細(xì)胞功能的完善。在低磷飼糧中超量添加植酸酶會(huì)產(chǎn)生更優(yōu)的效果，主要原因可能是植酸酶催化植酸降解為肌醇和磷酸具有反饋抑制的作用。

4.2 植酸酶在水產(chǎn)飼料中的應(yīng)用研究

在水產(chǎn)養(yǎng)殖中，植物蛋白原料替代魚(yú)粉的使用已成為不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，為植酸酶在水產(chǎn)飼料中的應(yīng)用提供了機(jī)會(huì)。迄今為止，許多研究表明補(bǔ)充植酸酶對(duì)水產(chǎn)飼料中磷和微量礦物質(zhì)的利用以及消化酶活性具有積極的促進(jìn)作用。華雪銘、姚瑞清等研究表明，在飼料中添加植酸酶能提高魚(yú)的增重率、干物質(zhì)、磷表觀消化率以及腸道蛋白酶和淀粉酶活性。曹露等研究發(fā)現(xiàn)飼料中添加植酸酶對(duì)日本沼蝦的增重率、特定增長(zhǎng)率有顯著影響，且其肝胰臟蛋白酶、脂肪酶活性顯著提高。植酸酶通過(guò)降解植酸鹽提高了飼糧氨基酸的消化率，而消化酶能減少內(nèi)源氨基酸的損失，提高氨基酸的表觀消化率，從這方面講二者具有互補(bǔ)效應(yīng)；另一方面，植酸酶與消化酶還存在互作效應(yīng)，消化酶可以促進(jìn)植酸酶作用的發(fā)揮，提高植酸酶與其底物（植酸鹽）的接觸程度，同時(shí)消化酶還可降低腸道消化物黏稠度，促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)物和磷吸收。因此，在飼糧中添加消化酶時(shí)，必須考慮好消化酶與植酸酶相匹配的底物，否則就起不到較好的添加作用。

水產(chǎn)動(dòng)物飼料中添加植酸酶最明顯的優(yōu)點(diǎn)是可以降低養(yǎng)殖水體的磷含量，從而緩解水體的富營(yíng)養(yǎng)化，改善水質(zhì)。由于水產(chǎn)的種類較多，水產(chǎn)動(dòng)物之間的消化道結(jié)構(gòu)差異較大，植酸酶在不同水產(chǎn)上的效果不盡相同，造成了植酸酶在水產(chǎn)料中規(guī)?；膽?yīng)用相對(duì)滯后，具體問(wèn)題有待于進(jìn)一步研究。

5 小結(jié)

植酸酶可以提高動(dòng)物對(duì)磷的吸收，優(yōu)化飼料配方，降低成本，減少動(dòng)物排泄物的磷污染，同時(shí)能夠改善飼料中其他其微量元素的利用率。飼料中植酸酶的最適添加量隨著動(dòng)物種類不同、飼料配方不同等發(fā)生變化，需要更深入研究它們之間的關(guān)系。同時(shí)我們還需要根據(jù)動(dòng)物磷消化代謝特點(diǎn)及其影響磷利用的因素，進(jìn)一步確認(rèn)植酸酶與其他外源性單酶間的相互作用的機(jī)理，從而優(yōu)化復(fù)合酶配方，建立數(shù)據(jù)庫(kù)，開(kāi)發(fā)和研制適合于不同動(dòng)物的具有熱穩(wěn)定性好、活性高的植酸酶產(chǎn)品。因此，植酸酶在飼料中的研究與應(yīng)用必將邁入新的發(fā)展階段。